MSA測(cè)量系統(tǒng)分析法在鐵路貨車輪對(duì)軸頸自動(dòng)化檢測(cè)中的運(yùn)用

陸超峰，任建輝

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 杭州北車輛段，浙江 杭州 310000)

隨著鐵路的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化智能化在鐵路貨車檢修系統(tǒng)越來(lái)越普及，越來(lái)越多的鐵路貨車檢修單位引進(jìn)了配件自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。隨著自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備使用時(shí)間的增加，設(shè)備發(fā)生老化，其各項(xiàng)性能指標(biāo)下降，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備檢測(cè)失準(zhǔn)，防止產(chǎn)生批量質(zhì)量問題，是檢測(cè)自動(dòng)化實(shí)施過(guò)程中面臨的突出問題。

1 既有自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備性能評(píng)估方法

自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備首末件鑒定法，是通過(guò)對(duì)首末兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的鑒定來(lái)確認(rèn)這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的檢測(cè)數(shù)據(jù)有效，該方法效果不理想。而依據(jù)設(shè)備每次使用前的日常性能校驗(yàn)來(lái)判斷該設(shè)備的性能狀態(tài)是否良好的方法也并不能反映設(shè)備的穩(wěn)定性。因此需要制定一個(gè)科學(xué)合理的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備穩(wěn)定性評(píng)判方法。

2 MSA測(cè)量系統(tǒng)分析法

目前質(zhì)量分析學(xué)最常用的分析測(cè)量過(guò)程的方法是測(cè)量系統(tǒng)分析法，也稱MSA(Measurement System Analysis)，就是對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性進(jìn)行評(píng)估。重復(fù)性EV(Repeatability)研究指以同一測(cè)量設(shè)備、同一測(cè)量人員，測(cè)量同一批待測(cè)物之同一品質(zhì)特性所產(chǎn)生的測(cè)量差異；再現(xiàn)性AV(Reproducibility)研究指以同一測(cè)量設(shè)備、不同測(cè)量人員，測(cè)量同一批待測(cè)物之同一品質(zhì)特性所得平均測(cè)量值差的最大值，此類研究也稱為GRR或R&R研究。自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備已極大地規(guī)避了人員和環(huán)境的影響，故無(wú)須做整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的GRR研究,只需研究設(shè)備本身的重復(fù)測(cè)量穩(wěn)定性，即MSA分析法中最常用的量具能力指數(shù)Cg/Cgk評(píng)估方案。該方案是通過(guò)多次重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)件，基于測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行公式計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算得出的值來(lái)評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)中量具的偏倚和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)的重復(fù)性是否合格。計(jì)算公式如下：

Cg=KT/6S

(1)

Cgk=(0.1T-|Bi|)/3S

(2)

(3)

式中：Cg——量具重復(fù)精度能力系數(shù)；

Cgk——量具準(zhǔn)確精度能力系數(shù)；

K——縮小系數(shù)，一般取0.2；

T——被測(cè)工件的公差；

S——標(biāo)準(zhǔn)差；

Bi——偏差，平均值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值;

X——樣本數(shù)據(jù)；

n——樣本個(gè)數(shù)。

由公式(1)中的KT乘積可知允許測(cè)量結(jié)果分布寬度，由6S可知實(shí)際達(dá)到的測(cè)量結(jié)果分布寬度，且根據(jù)正態(tài)分布理論，事件發(fā)生在6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)的概率在99%以上，因此由公式(1)能科學(xué)地反映出數(shù)據(jù)的離散度。公式(2)是由公式Cgk=Cg-|Bi|/3S演變而來(lái)，考慮了偏差，能同時(shí)反映數(shù)據(jù)的離散度和準(zhǔn)確性。

由公式(1)～(3)可知，Cg值與公差T成正比，與標(biāo)準(zhǔn)差S成反比，值越大，說(shuō)明數(shù)據(jù)越集中；Cgk值與公差T成正比，與偏差Bi和標(biāo)準(zhǔn)差S成反比，值越大，數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確且越集中。

根據(jù)評(píng)估方案判定標(biāo)準(zhǔn),Cg/Cgk值均不小于1.33時(shí)表明測(cè)量系統(tǒng)性能狀態(tài)重復(fù)性合格；若小于1.33時(shí)，則表明設(shè)備狀態(tài)不穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)修。

3 MSA的運(yùn)用實(shí)踐

3.1 總體方案

以鐵路貨車輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)連續(xù)多次的日常性能校驗(yàn)，獲取25組檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)數(shù)據(jù)作為計(jì)算檢測(cè)設(shè)備量具能力的數(shù)據(jù)，通過(guò)Cg/Cgk值判斷設(shè)備重復(fù)測(cè)量的穩(wěn)定性。

3.2 數(shù)據(jù)采集

鐵路貨車輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)的日常性能校驗(yàn)是設(shè)備自帶功能，通過(guò)左右2個(gè)高精度磁柵尺分別測(cè)量配套樣環(huán)尺寸,左端樣環(huán)標(biāo)準(zhǔn)值為149.992 mm，右端樣環(huán)標(biāo)準(zhǔn)值為149.993 mm，每次性能校驗(yàn)測(cè)量3次，每端獲取3組數(shù)據(jù)(表1)，同時(shí)收集連續(xù)日常性能校驗(yàn)測(cè)量樣環(huán)25組數(shù)據(jù)(表2)。該設(shè)備日常性能校驗(yàn)是通過(guò)比對(duì)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值來(lái)判定設(shè)備狀態(tài)是否良好，設(shè)備管理標(biāo)準(zhǔn)要求差值不大于0.005 mm。一般情況下，每日上午、下午使用前各進(jìn)行一次日常性能試驗(yàn)。

表1 輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)的日常性能校驗(yàn)采集數(shù)據(jù) mm

表2 連續(xù)日常性能校驗(yàn)檢測(cè)樣環(huán)25組數(shù)據(jù)示例 mm

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 數(shù)據(jù)分析軟件

使用Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行MSA分析。將左端測(cè)量裝置所得的25組最新數(shù)據(jù)錄入到工作表中，從工具欄中找到“統(tǒng)計(jì)”→“質(zhì)量工具”→“量具研究”→“類型1量具研究”，使用Minitab軟件自帶量具分析功能，在參數(shù)設(shè)置界面輸入標(biāo)準(zhǔn)值和公差，所得分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 Minitab軟件分析結(jié)果

3.3.2 數(shù)學(xué)模型的適配

輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)有左右兩套測(cè)量裝置，Minitab每次只能進(jìn)行單端分析，數(shù)據(jù)更新的方式相對(duì)繁瑣。為了方便現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用，在Excel軟件中搭建了Minitab數(shù)學(xué)模型。

參照Minitab的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)Cg/Cgk計(jì)算公式,利用Excel軟件表格與圖表的設(shè)計(jì)功能，將左右兩組數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型結(jié)合在一起，定義為輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)MSA數(shù)學(xué)模型，將表2中數(shù)據(jù)代入后，所得分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 Excel軟件建立的MSA數(shù)學(xué)模型分析結(jié)果

3.3.3 數(shù)據(jù)分析

由圖2可知，輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)左端測(cè)量裝置的尺寸運(yùn)行圖波動(dòng)較大，且波動(dòng)處于變大的趨勢(shì)，最新的幾組數(shù)據(jù)都突破了尺寸運(yùn)行圖的下限，繼續(xù)查看左端裝置Cg/Cgk值，均小于1.33，判斷為設(shè)備穩(wěn)定性不合格。右端裝置數(shù)據(jù)穩(wěn)定，Cg/Cgk值達(dá)標(biāo)，判斷為設(shè)備穩(wěn)定性合格。對(duì)比這幾日的日常性能校驗(yàn)記錄，輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)左端的檢測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)雖然不超過(guò)日常性能校驗(yàn)合格判斷標(biāo)準(zhǔn)的0.005 mm,但是數(shù)據(jù)波動(dòng)比右端要明顯偏大。

為了驗(yàn)證MSA分析的有效性，暫未停用設(shè)備進(jìn)行維修調(diào)整，繼續(xù)觀察設(shè)備后續(xù)日常性能校驗(yàn)情況。次日，輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)左端日常性能校驗(yàn)就顯示了不合格，有兩次數(shù)據(jù)都超過(guò)了允許范圍。為了進(jìn)一步驗(yàn)證左端測(cè)量裝置的性能狀態(tài)，排查了2020年初至今的所有日常性能校驗(yàn)記錄，發(fā)現(xiàn)輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)左端測(cè)量裝置共發(fā)生5次不合格，右端測(cè)量裝置采集數(shù)據(jù)均合格，再次表明該設(shè)備左端測(cè)量裝置不符合測(cè)量要求，須進(jìn)行調(diào)整。表3為2020年歷次輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)日常性能校驗(yàn)不合格記錄。

表3 2020年歷次輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)日常性能校驗(yàn)不合格記錄

3.5 檢修調(diào)整

根據(jù)MSA分析結(jié)果,更換了測(cè)量機(jī)左右兩側(cè)的樣環(huán)，并對(duì)左端測(cè)量裝置進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)修后連續(xù)做了9次性能校驗(yàn)，并取25組數(shù)據(jù)再次進(jìn)行分析，圖3為分析結(jié)果。由圖3可知，左端尺寸運(yùn)行圖比調(diào)修前穩(wěn)定，且Cg/Cgk值均超過(guò)了1.33，符合測(cè)量要求。

圖3 調(diào)修后的輪對(duì)軸頸自動(dòng)測(cè)量機(jī)MSA分析結(jié)果

由此可知，MSA測(cè)量系統(tǒng)能力指數(shù)Cg/Cgk評(píng)估法能在設(shè)備日常性能校驗(yàn)的基礎(chǔ)上評(píng)估設(shè)備自動(dòng)化檢測(cè)裝置的穩(wěn)定性，更好地監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，檢修現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)將MSA測(cè)量系統(tǒng)分析法與日常性能校驗(yàn)同步開展，使用FineReport軟件實(shí)現(xiàn)MSA數(shù)學(xué)模型的信息化，自動(dòng)獲取最新的數(shù)據(jù)并同步至MSA數(shù)學(xué)模型中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)軸頸自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備穩(wěn)定性的監(jiān)控。并計(jì)劃對(duì)軸承自動(dòng)測(cè)量裝置及輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)機(jī)進(jìn)行MSA數(shù)學(xué)模型適配，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的性能狀態(tài)監(jiān)控，提升測(cè)量精準(zhǔn)度，保證高水平的檢修質(zhì)量。建議將MSA測(cè)量系統(tǒng)分析法在全路貨車自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備中推廣使用。